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209 Pages·2006·9.16 MB·French

UNIVERSITE MICHEL DE MONTAIGNE – BORDEAUX 3
INSTITUT EGID

THESE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE BORDEAUX 3
Discipline : Science et Technologie
Spécialité : Sciences de l’eau

Présentée par

Laurent ANDRE

Contribution de la géochimie à la connaissance
des écoulements souterrains profonds
Application à l’aquifère des
Sables Infra-Molassiques du Bassin Aquitain

Directeurs de thèse : Professeur Pierre POUCHAN
Professeur Olivier ATTEIA

Soutenue le 12 juin 2002
Devant la commission d’examen

JURY

M. Ghislain de MARSILY Professeur, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 Président

M. Bernard BLAVOUX Professeur, Université d’Avignon et des Pays de Vaucluse Rapporteur
M. Alain BOURG Professeur, Université de Pau et des Pays de l’Adour Rapporteur

M. Olivier ATTEIA Professeur, Université Michel de Montaigne-Bordeaux 3 Examinateur
M. Michel FRANCESCHI Maître de Conférences, Université Michel de Montaigne-Bordeaux 3 Examinateur
M. Pierre POUCHAN Professeur, Université Michel de Montaigne-Bordeaux 3 Examinateur

M. Christian ALDEBERT Président Total Fina Elf – Stockage Gaz France Invité
M. Claude TALLEC Directeur Général Total Fina Elf – Stockage Gaz France Invité
“L’eau parle sans cesse et jamais ne se répète”
Octavio Paz
AVANT-PROPOS

Au moment d’entreprendre l’exposé de ce travail, c’est avec une profonde
reconnaissance que je me tourne vers tous ceux qui m’ont apporté aide et conseils pour mener
à bien ce projet.

Mes remerciements s’adressent tout d’abord à Monsieur le Professeur Pierre Pouchan,
pour m’avoir accueilli au sein de l’Institut EGID de l’Université de Bordeaux 3, et pour avoir
tenté le pari d’enseigner la géologie à un chimiste. Sa connaissance du terrain ainsi que ses
judicieuses remarques au cours de nos nombreuses discussions m’ont été d’une aide précieuse
durant ce travail de thèse.
Je remercie Monsieur le Professeur Olivier Atteia, qui, avec patience, a suivi mes
travaux, a su me promulguer de nombreux conseils dans le domaine de la modélisation
géochimique et m’a fait bénéficier de son “enthousiasme scientifique”.
Que tous deux trouvent ici toute ma reconnaissance et toute mon amitié.

A Monsieur le Professeur Ghislain de Marsily, pour m’avoir fait l’honneur de présider
le jury de la soutenance, et à Messieurs les Professeurs Bernard Blavoux et Alain Bourg, pour
avoir accepté de juger ce travail, j’adresse mes plus respectueux remerciements.

Je tiens à souligner ma reconnaissance à Messieurs Michel Franceschi et Alain Dupuy,
tous deux Maîtres de Conférences à l’Institut EGID, pour leur collaboration, leur disponibilité
de tous les jours et pour l’amitié qui nous lie.

A l’issue de ce travail, mes remerciements vont aussi au groupe Total Fina Elf sans qui
cette étude n’aurait pas été possible. Leur soutien financier ainsi que la confiance qu’ils ont
bien voulu m’accorder pour ce projet sont irremplaçables. Je veux remercier plus
particulièrement Messieurs Claude Tallec et Frédéric Rieu, pour leur tutorat et le suivi
régulier de ce travail, ainsi que Monsieur Christian Aldebert pour l’attention particulière qu’il
a bien voulu porter à ce travail.
Je tiens aussi à exprimer toute ma gratitude au personnel du centre de stockage de
Lussagnet, et notamment à Monsieur Bernard Ferre et à son équipe, pour leur accueil et leur
patience lors de chacune des campagnes de prélèvement.

Je remercie l’ensemble des exploitants de forages, des Syndicats d’alimentation en eau
potable aux particuliers, qui m’ont permis l’accès à leurs captages et m’ont laissé effectuer les
prélèvements dans les meilleures conditions.

Merci à l’ensemble du personnel technique et enseignant de l’Institut EGID pour leur
accueil, leur sympathie et leur bonne humeur. J’adresse un merci particulier à Florence pour
sa collaboration et son aide précieuse dans mes recherches bibliographiques. Enfin, je
n’oublie pas Franck pour son aide sur le plan informatique, ses nombreuses séances de
travaux pratiques en montage/démontage d’ordinateurs mais aussi et surtout pour nos longues
discussions et réflexions “philosophiques”.

Je ne peux terminer ce travail sans avoir une pensée pour Edith et Maïté, ainsi que
l’ensemble du groupe POM, de l’Université Paul Sabatier de Toulouse, pour m’avoir donné le
goût de la recherche et pour leurs conseils avisés.
- 1 -
Je tiens à dire un grand merci à tous les étudiants de l’Institut EGID qui ont rendu ces
années inoubliables. Je salue en particulier ceux qui m’ont accompagné durant ces trois
années à savoir Franck, Virginie, Céline, Johanna, Sabrina, Matthieu, Arnaud, Ronan. Qu’ils
trouvent ici mes précieuses amitiés.

Je terminerai par toi, François, mon alter ego depuis deux ans avec qui la complicité fut
de tous les instants. Pour tous les moments passés ensembles, parfois dans des conditions
épiques comme certaines nuits passées au cœur du Gers (...), je tiens à te dire un grand merci
et à t’assurer de tous mes encouragements pour la dernière ligne droite.

Je veux enfin dire, à l’issue de ce travail, tout ce que je dois à mes parents et à mes
proches pour leur soutien durant toutes ces années d’étude. Qu’ils en soient ici remerciés !
- 2 -
RESUME

L’objectif de cette étude était de décrire d’une manière générale, puis dans le détail, la
composition chimique des eaux des Sables Infra-Molassiques et son évolution, pour en
examiner sa cohérence avec les modèles hydrogéologiques et géologiques actuellement
proposés.

De manière globale, la composition chimique de l’eau des Sables Infra-Molassiques,
permet d’identifier l’existence de deux sous bassins géochimiques :
• Au Nord et à l’Est, des eaux à faciès bicarbonaté sodique voire sulfaté sodique
atypiques, présentant de fortes minéralisations liées principalement aux fortes
concentrations en sulfates.
• Au Sud, des eaux, à faciès bicarbonaté calcique, faiblement minéralisées.

Relater une origine et une histoire nécessitait l’utilisation d’un marqueur géochimique.
Le choix s’est porté sur l’élément soufre et son isotope, le soufre-34. Les rapports isotopiques
ont permis de mettre en évidence l’origine du soufre en solution (météorique, dissolution de
gypse, oxydation de pyrite) mais aussi les différents processus géochimiques responsables à la
fois de la mise en solution des espèces et de l’évolution spatiale de leur concentration.

Les évolutions des teneurs en marqueur ont conduit à proposer une modélisation de la
composition chimique des eaux. L’étude de leur évolution, selon quatre processus
géochimiques principaux (dissolution, oxydo-réduction, réaction acide-base, échange) a été
effectuée et permet de définir l’importance relative de chaque processus lors de l’acquisition
de la composition chimique.

Une mise en cohérence des données géochimiques avec les modèles hydrogéologiques
et géologiques a ensuite été proposée selon trois tubes de courant principaux, puis un
couplage topographie souterraine – géochimie a été présenté. Bon nombre d’hypothèses
hydrogéologiques sont validées. Cependant, la géochimie permet de mieux caractériser le rôle
joué par les structures souterraines sur les vitesses d’écoulements des eaux mais aussi sur le
taux de renouvellement des eaux à leur voisinage.

Dans cette vision géochimique de l’aquifère, les transferts de matière issus des épontes
ont été envisagés. Le rôle de la drainance mais aussi de la diffusion ont été mis en évidence
notamment pour rendre compte des variations de faciès géochimiques des eaux de l’aquifère.

MOTS CLES : Bassin d’Aquitaine, bassin sédimentaire, géologie, eau souterraine,
géochimie des eaux, isotopes, modélisation, transfert, drainance, diffusion

- 3 -
ABSTRACT

The aim of this study is to describe in a first step both global and detailed chemical
compositions waters contained in the Infra-Molassic Sands aquifer, a well known aquifer
from the Southern Aquitaine Basin. In a second step, the evolution and consistency of water
compositions to some hydrogeological and geological models currently used is presented.

The water composition of Infra-Molassic Sands aquifer is interpreted to reflect the
presence of two geochemically distinct areas :
• In the North and the East, waters exhibit sodic bicarbonated or sodic sulphate facies,
and high mineralizations related to high sulphate concentrations.
• In the South, waters are characterized by calcium bicarbonate facies, and low
mineralizations.

In order to describe the origin and history of waters, a geochemical tracer was
necessary. The choice was set on the sulphur element and its isotope, 34-sulfur. The isotopic
ratios were used to determine the origin of sulphur in solution (meteoric, gypsum dissolution,
pyrite oxidation) and also the different geochemical processes involved in the dissolution of
minerals and the concentration evolution.

This tracer and the water characteristics have conducted us to construct a geochemical
model and to derive the chemical composition of each water. The variation in chemical water
composition, according to four main geochemical processes (dissolution, redox, acid-base
reaction, exchange) were interpreted to reflect the proportion of each process on the final
composition.

Consistency between the chemical data and hydrogeological or geological models was
proposed along three main flow paths, and then an attempt was made to relate the subsurface
structure to geochemical modeling results. Some hydrogeological hypothesis were validated.
Furthermore, geochemistry highlights the role played by subsurface structures on water flow
velocities and also on the water removal in their vicinity.

Within the limits of this aquifer geochemical vision, the mass transfer from aquitards
were investigated. The leakage and the diffusion roles have been highlighted, which explains
best the water composition variations within this aquifer.

KEYWORDS : Aquitaine basin, sedimentary basin, geology, groundwater hydrogeology,
water geochemistry, isotopes, modelisation, transfer, leakage, diffusion.
- 4 -
SOMMAIRE

AVANT-PROPOS.............................................................................................................................1

RESUME............................................................................................................................................3

ABSTRACT.......................................................................................................................................4

TABLE DES MATIERES................................................................................................................5

TABLE DES ILLUSTRATIONS.....................................................................................................9

LISTE DES TABLEAUX.................................................................................................................13

INTRODUCTION.............................................................................................................................15

CHAPITRE I : DE LA GEOLOGIE A L’HYDROGEOLOGIE : L’ETAT DES CONNAISSANCES................19

I.1 Histoire géologique du Bassin Aquitain : les grandes lignes.................................................20

I.2 Les nappes profondes de l’Aquitaine Occidentale.................................................................27
I.2.1 La nappe miocène................................................................................................................28
I.2.2 La nappe oligocène..............................................................................................................29
I.2.3 La nappe éocène..................................................................................................................30
I.2.4 La nappe dano-paléocène....................................................................................................31
I.2.5 La nappe du Crétacé supérieur...........................................................................................33
I.2.6 La nappe jurassique.............................................................................................................34

I.3 La molasse.................................................................................................................................36
I.3.1 Aspects ..............................................................................................................................36
I.3.2 Origine de la molasse aquitaine..........................................................................................37

I.4 Les faciès détritiques de la base de la molasse : les Sables Infra-Molassiques....................40
I.4.1 Conditions de dépôt.............................................................................................................40
I.4.2 Conditions de gisement........................................................................................................44

I.5 Hydrogéologie et hydrodynamique de la nappe infra-molassique.......................................48
I.5.1 Les données de l’hydrogéologie..........................................................................................49
I.5.2 Morphologies piézométriques - Mises en charges – Emergences - Exutoires....................51
I.5.3 La construction de modèles.................................................................................................59

I.6 Du rôle des épontes...................................................................................................................62
I.6.1 L’éponte du mur de l’aquifère.............................................................................................62
I.6.2 L’éponte du toit de l’aquifère..............................................................................................62

- 5 -
CHAPITRE II : ANALYSES ET DONNEES POUR UNE PROPOSITION GEOCHIMIQUE GLOBALE........64

II.1 Réseau d’observation................................................................................................................65
II.1.1 Les points d’observation......................................................................................................65
II.1.2 L’établissement d’une base de données...............................................................................68

II.2 Echantillonnage des eaux.........................................................................................................68
II.2.1 Les analyses sur place.........................................................................................................68
II.2.2 Les analyses et leur fiabilité................................................................................................69

II.3 Etude des paramètres physico-chimiques...............................................................................73
II.3.1 La température.....................................................................................................................73
II.3.2 La conductivité.....................................................................................................................73
II.3.3 Le pH ..............................................................................................................................73
II.3.4 Le potentiel redox................................................................................................................73

II.4 Présentation des analyses chimiques.......................................................................................74
II.4.1 Caractéristiques chimiques des eaux : les diagrammes de Piper.......................................74
II.4.2 Diagrammes semi-logarithmiques de Schoeller..................................................................76
II.4.3 Essai d’une étude statistique...............................................................................................77
II.4.4 Apports de l’hydrogéologie isotopique................................................................................81
II.4.5 Mesures des teneurs de gaz rares........................................................................................88

II.5 Le comportement de quelques éléments majeurs..................................................................90
II.5.1 Les chlorures.......................................................................................................................90
II.5.2 Le soufre ..............................................................................................................................91
II.5.3 Le sodium.............................................................................................................................93

II.6 Les éléments traces : origine et intérêt....................................................................................95
II.6.1 Le brome ..............................................................................................................................95
II.6.2 Le fluor ..............................................................................................................................97
II.6.3 Le strontium.........................................................................................................................99
II.6.4 Le baryum..........................................................................................................................101
II.6.5 Le lithium...........................................................................................................................102

II.7 En résumé................................................................................................................................103

- 6 -
CHAPITRE III : LES PROCESSUS POUR UNE VISION GEOCHIMIQUE DE LA NAPPE.......................105

III.1 Démarche.................................................................................................................................106

III.2 Sulfates et sulfures : origine et comportement du soufre par l’utilisation des isotopes du
soufre et de l’oxygène.............................................................................................................108

III.3 La dissolution congruente......................................................................................................113

III.4 Les processus d’oxydo-réduction..........................................................................................117
III.4.1 Le système fer-soufre-carbonates......................................................................................118
III.4.2 Les résultats.......................................................................................................................121
III.4.3 La réduction des sulfates...................................................................................................123

III.5 L’équilibre calco-carbonique.................................................................................................125

III.6 L’échange d’ions.....................................................................................................................128
III.6.1 Généralités.........................................................................................................................128
III.6.2 Application aux eaux des Sables Infra-Molassiques.........................................................130

III.7 La dissolution non congruente...............................................................................................134

III.8 Composition chimique des eaux et espèces minérales.........................................................136
III.8.1 La composition minéralogique des Sables Infra-Molassiques..........................................136
III.8.2 Les minéraux solubles........................................................................................................137
III.8.3 Les minéraux sulfurés : la pyrite.......................................................................................141
III.8.4 Les argiles..........................................................................................................................142

III.9 Essai de reconstitution de la composition chimique des eaux de l’aquifère des Sables
Infra-Molassiques – Modèles.................................................................................................143
III.9.1 Choix des variables de validation......................................................................................143
III.9.2 Hypothèses de base d’une modélisation............................................................................146
III.9.3 Résultats et validation du modèle proposé........................................................................147
III.9.4 Résultats de la zone Sud-Est (S ).......................................................................................148
E
III.9.5 Les résultats de la zone Sud Ouest (Sw) : Geaune, Eugénie les Bains*, Lussagnet*,
Barbotan ............................................................................................................................154
III.9.6 Les résultats de la zone Nord et Est...................................................................................155

III.10 En résumé..............................................................................................................................157

- 7 -
CHAPITRE IV : HDROGEOLOGIE ET GEOCHIMIE : UNE VISION COUPLEE....................................158

IV.1 Les données et les outils..........................................................................................................159
IV.1.1 Les données hydrogéologiques..........................................................................................159
IV.1.2 Activités 14C et “âge des eaux”.........................................................................................160

IV.2 Géochimie et flux....................................................................................................................162
IV.2.1 Un écoulement Ouest (TW)................................................................................................162
IV.2.2 A l’aval de la zone des stockages......................................................................................167
IV.2.3 Un écoulement central (TC)..............................................................................................168
IV.2.4 A l’aval de Pléhaut, Dému, Nogaro...................................................................................169
IV.2.5 Un écoulement Nord..........................................................................................................171

IV.3 Les mécanismes d’échange avec les épontes.........................................................................172
IV.3.1 Estimation des flux par convection....................................................................................173
IV.3.2 Estimation des flux par diffusion.......................................................................................177
IV.3.3 Comparaison de la drainance et de la diffusion................................................................178

IV.4 Géochimie et topographies souterraines...............................................................................179
IV.4.1 Activités, renouvellement et structures souterraines.........................................................179
IV.4.2 Des structures “barrière”.................................................................................................181
IV.4.3 Détails des structures thermales........................................................................................182
IV.4.4 Des points singuliers liés à des lacunes sédimentaires ou des discordances....................185

IV.5 En résumé................................................................................................................................188

CONCLUSION................................................................................................................................191

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES......................................................................................196

ANNEXES........................................................................................................................................207

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